Kosmická archeologie: Odhalení záhady prvního světla ve vesmíru

Vědci využívají simulace a data z teleskopu South Pole Telescope k detekci slabého kinetického kSZ efektu, který je klíčem k pochopení epochy reionizace, kdy došlo k ionizaci vesmíru prvními hvězdami. Představte si, že se vydáte na cestu do úplných počátků vesmíru, konkrétně na začátek epochy reionizace (EoR). Tehdy vznikly první hvězdy a galaxie a jejich energie oddělila protony a elektrony hustého, temného prvotního vodíkového plynu, který tvořil vesmír, a vytvořila bubliny ionizovaného plynu.

Vaše vesmírná cesta by odhalila v temnotě mnoho takových bublin, které by rostly a spojovaly se, ionizovaly veškerý vodík ve vesmíru, osvětlovaly temnotu a připravovaly půdu pro vývoj galaxií, jak je známe dnes. Vědci bohužel nedokážou vytvořit stroj času, který by nás vrátil do období EoR. Mohou však shromáždit terabajty dat a vytvořit simulace, aby získali vhled do raného vesmíru a procesu, který je klíčový pro pochopení vzniku a vývoje galaxií.

„Tyto první hvězdy mají velkou energii, a když jejich ultrafialové protony interagují s neutrálními atomy vodíku, vyrazí z atomu elektron, a tak se v podstatě vesmír reionizoval,“ řekl doktor Srinivasan Raghunathan, postdoktorand Centra pro astrofyzikální výzkum (CAPS) v Národním centru pro superpočítačové aplikace (NCSA) na Illinoiské univerzitě v Urbana-Champaign.

Raghunathan vysvětlil, že tyto volné elektrony, které se pohybují raným vesmírem, interagují s kosmickým mikrovlnným pozadím (CMB) – zbytkovým zářením po Velkém třesku – a zvyšují tak energii a jas CMB. Toto zvýšení energie vede ke vzniku tzv. kinetického Sunjajevova-Zeldovičova (kSZ) efektu, slabého signálu z raného vesmíru, který umožňuje kosmologům nahlédnout zpět v čase a pochopit procesy, které se podílely na EoR, a také to, kdy začal a jak dlouho trval.

Zjišťování efektu kSZ
Raghunathan vedl výzkumný tým složený z několika institucí, jehož cílem bylo odhalit kSZ efekt z teplotních map CMB pomocí dat získaných z teleskopu South Pole Telescope a přístroje SPIRE na palubě Herschelovy vesmírné observatoře. Výsledky jejich práce byly nedávno publikovány v časopise Physical Review Letters, významném časopise pro fyzikální a kosmologický výzkum. Výzkum je jedním z pokračujících výzkumných snah v rámci spolupráce s teleskopem South Pole Telescope, na níž se podílí přibližně 100 vědců z více než 20 organizací z celého světa.

„Hledání tohoto signálu je klíčové, protože díky němu můžeme pochopit, jak k celému procesu došlo,“ řekl Raghunathan. „Signál je však velmi slabý. Protože se jedná o raný vesmír, je v datech pohřben pod mnoha dalšími údaji, včetně samotného kosmického mikrovlnného pozadí.“

Tým vzal data z teleskopu na jižním pólu – měřená na frekvencích 90, 150 a 220 GHz v submilimetrovém pásmu – a provedl čtyřbodovou neboli trispektrální funkci, která měří korelace mezi čtyřmi body v systému, aby zjistil negaussovskou neboli nerovnoměrnou povahu efektu kSZ. Očekává se, že tento efekt mírně zvyšuje energii (měřenou v teplotě) CMB v době, kdy se začaly formovat galaxie a v celém vesmíru probíhala reionizace.

„Víme, že existuje mnoho galaxií v podobě skvrn nebo bublin a že by mezi těmito skvrnami měla existovat nějaká souvislost,“ vysvětlil Raghunathan. „Na základě těchto korelací se snažíme odhadnout, jak by se náš vesmír realizoval.“

Simulace raného vesmíru
Vědci při hledání signálu kSZ vytvořili počítačové simulace vesmíru s vysokým rozlišením a na jejich základě odfiltrovali z CMB cizí signály a účinky gravitačního čočkování (zakřivení dráhy světla při jeho pohybu kolem galaxií a další hmoty ve vesmíru). Provedli stovky těchto simulací, které napodobují jejich data.

„Máme několik terabajtů dat a chceme ověřit, co měříme. Proto vytváříme simulace raného vesmíru. Hodně a hodně simulací,“ říká Srinivasan Raghunathan, postdoktorand z Centra pro astrofyzikální výzkum NCSA. Simulace se snaží „vidět“, jak tyto rané signály ve vesmíru na sebe vzájemně působí a jak se dostávají do tří měřených frekvencí, vysvětluje Raghunathon.

„Nedíváme se na konkrétní galaxii a neříkáme, že to je naše měřítko,“ řekl Raghunathon. „Snažíme se zde přijít se statistickým modelem epochy reionizace. Víme, že existuje mnoho galaxií, nebo mnoho, mnoho skvrn, které jsou zachyceny v objemovém toku, a tudíž by měla existovat nějaká korelace mezi těmito skvrnami, které dávají vzniknout signálu kSZ. Na základě těchto korelací se nyní snažíme odhadnout, jak by náš vesmír reionizoval.“

Pokrok v chápání reionizace
Ačkoliv by efekt kSZ z EoR měl způsobit malé zesílení nebo záři CMB, výzkumný tým zatím tento signál ve svých datech nezaznamenal, což je podle Raghunathana významný krok kupředu při zkoumání raného vesmíru a pochopení EoR. „Skutečnost, že jsme signál nezaznamenali, nám říká, že signál nemůže být vyšší než určitá amplituda,“ řekl. „Signál musí být pod tímto konkrétním očekáváním a jen na základě toho můžeme vyloučit mnoho modelů reionizace, například modely rané a pomalé, kde se předpovídá signál kSZ, který by mohl být obrovský.“

Stanovení horní hranice pravděpodobného konce EoR dává vědcům parametr, od kterého se mohou odvíjet při dalším zkoumání raného vesmíru a EoR. Jakmile budou k dispozici nové soubory dat s vysokým rozlišením a nízkým šumem pokrývající větší oblasti vesmíru a vědci provedou další multifrekvenční analýzy, budou moci složit dohromady záhadu epochy reionizace, včetně toho, kdy začala, zda k ní došlo náhle nebo pomalu a kdy skončila.

„Probíhající průzkum pomocí teleskopu na jižním pólu bude pokračovat ještě několik let, což výrazně snižuje šum v datech, takže jsou stále lepší a lepší,“ řekl Raghunathan. Pozemní experiment nové generace pro kosmické mikrovlnné pozadí nazvaný CMB-S4, který bude shromažďovat data z průzkumu pomocí teleskopů na jižním pólu a v Chile, bude znamenat ještě více dostupných dat pokrývajících širší oblast oblohy. A to znamená potřebu většího množství technik zpracování a analýzy dat, které umožní hledat signál kSZ a začít chápat epochu, kdy hvězdy doslova rozzářily oblohu. Tato analýza je prvním klíčovým krokem k budoucím analýzám, řekl Raghunathan.

„Doufáme, že se nám v blízké budoucnosti podaří tento signál detekovat. Víme, že tam je a že došlo k reionizaci. Nyní chceme vědět, proč a jak k celému procesu došlo.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/cosmic-archaeology-unraveling-the-mystery-of-the-universes-first-light/

autor: František Martinek